(57)【要約】【課題】  部品点数を増加させないで、必要な可視光を選択的に受光することが可能な光電変換装置を提供すること。【解決手段】  緑色光の光信号を電気信号に変換する光電変換装置１０であって、In0.4Ga0.6Nの受光層５２と、電位差を持つとともに受光層５２の表面に電気的に接している一対の櫛歯電極７２、７４と、受光層５２よりも入射面側に設けられているとともに受光層５２のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有するＧａＮの第１フィルタ層３２及びIn0.2Ga0.8Nの第２フィルタ層３４を備えている。フィルタ層３２、３４は、受光層５２が吸収する可視光よりも波長の短い可視光を吸収することを特徴としている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置であって、
III−Ｖ族化合物半導体の受光層と、
電位差を持つとともに受光層の表面に電気的に接している一対の電極と、
受光層よりも入射面側に設けられているとともに受光層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有するIII−Ｖ族化合物半導体のフィルタ層を備え、
フィルタ層は、受光層が吸収する光よりも波長の短い光を吸収することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
受光層は、可視光の光エネルギーを吸収するようにバンドギャップの幅が調整されており、
フィルタ層は、受光層が吸収する可視光よりも波長の短い可視光を吸収するようにバンドギャップの幅が調整されていることを特徴とする請求項１の光電変換装置。
【請求項３】
フィルタ層は、受光層の表面のうち一対の電極の間に形成されていることを特徴とする請求項１又は２の光電変換装置。
【請求項４】
受光層とフィルタ層の間に、受光層とフィルタ層よりもバンドギャップが広いバリア層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの光電変換装置。
【請求項５】
III−Ｖ族化合物半導体が、AlXGaYIn1-X-YN（ただし、０≦X≦１、０≦Y≦１、０≦1−X−Y≦１）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの光電変換装置。
【請求項６】
電位差を持つ一対の電極が、フィルタ層の表面に電気的に接していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に関する。特に、複数の波長の光を含む入射光から、必要な波長の光の光エネルギーを選択して電気エネルギーに変換する光電変換装置に関する。
なお、以下の明細書では、プラスチック光ファイバ（Plastic Optical Fiber：以下、POFという）と組合せて用いられ、POFが伝達する光信号を電気信号に変換するために用いる光電変換装置の例を取り上げて説明する。しかし、本明細書で開示される技術はその用途に限定されない。本明細書で開示される技術要素は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に広く利用され得る。
【背景技術】
【０００２】
比較的短い距離間に光通信システムを構築し、大量の情報を送受信したい場面が多く存在する。このような場合に、POFを利用して光通信システムを安価に構築する研究がなされている。
ＰＯＦ等を利用する光通信システムでは、伝達損失の小さい可視光域を利用するのが好ましい。このため、ＰＯＦを利用する光通信システムでは、受光層に可視光を吸収するIII−Ｖ族化合物半導体を用いた光電変換装置の研究が進められている。例えば、紫外光域から可視光域を利用する場合には、一般式がAlXGaYIn1-X-YN（ただし、０≦X≦１、０≦Y≦１、０≦1−X−Y≦１）で表されるIII−Ｖ族化合物半導体が多く用いられる。
【０００３】
このような光通信システムでは、一本の光ファイバを利用して複数の波長の可視光を含む光信号を一方向に伝達するシステムや、一本の光ファイバを利用して複数の波長の可視光を含む光信号を双方向に送受信するシステムの研究が行われている。このような光通信システムを多重通信システムという。非特許文献１には、POFを利用する多重通信システムに関して記載されている。
可視光域を利用する多重通信システムでは、光ファイバを伝達してくる光信号から、必要な波長の可視光を選択的に受光する技術が必要である。一般的には、着色されたパッケージを光電変換装置に設けて不必要な可視光を遮断する方法や、光ファイバの幹線に波長分波用の光学フィルタを備えたモジュールを設けて必要な波長のみを光電変換装置に導く方法が利用されている。
しかしながら、いずれの方法を採用したとしても、光電変換装置に別個の部品を設ける必要があり、部品点数の増加によるコスト増及び小型化の面で不具合が多い。
【０００４】
このような課題に対処する一つの手法として、特許文献１では光電変換装置の半導体積層に、異なる波長域に光吸収をもつ複数の半導体光吸収層を設ける技術を提案している。この技術を利用すれば、別個の部品を設けることなく、必要な波長の光を選択的に受光することが可能になる。
【非特許文献１】染野義博、菊池公博、「POF LAN」、O plus E、平成１１年６月５日発行、第２１巻、第６号、p.６７９−６８４
【特許文献１】特開２００３−１４２７２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の光電変換装置に設けられている半導体光吸収層は、ＰＩＮ構造を利用した縦導通型の構造である。ＰＩＮ構造は、半導体光吸収層に加えて、半導体光吸収層の上下面に接してｎ型の半導体層とｐ型の半導体層を備えている。このため、ＰＩＮ構造を利用する半導体光吸収層は、複数の半導体層を必要とするので製造に要する工程数が増加してしまう。
本発明は、部品点数を増加させないで、必要な波長の光を選択的に受光することが可能であるとともに、構造が簡単な光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、光電変換装置の半導体積層に、バンドギャップが調整されたフィルタ層を形成することを一つの特徴としている。本発明はさらに、受光層の表面に電位差をもつ一対の電極を形成することを他の一つの特徴としている。
光電変換装置が内蔵するフィルタ層によって不必要な波長の光を遮断する。フィルタ層が半導体積層に組み込まれているので、不必要な波長の遮断用に別個の部品を用意する必要がない。したがって、本発明の光電変換装置は、部品点数を増加させないで、必要な波長の可視光を選択的に受光することが可能となる。
さらに、受光層で生成した電子・正孔は、受光層の面内を横方向に移動して一対の電極から取出される。したがって、受光層の上下面にｎ型の半導体層とｐ型の半導体層をそれぞれ形成する必要がない。本発明の光電変換装置は、構造が簡単化されており、製造に要する工程数も少なくて済む。
なお、後述するように、フィルタ層は不必要な波長の光を遮断するだけでなく、フィルタ層で不必要な波長の光を受光することによって生成する電子・正孔を電気エネルギーとして取出すこともできる。すなわち、フィルタ層は受光層からみると不必要な波長の光を遮断するフィルタであるが、不必要な波長の光を受光する受光層でもある。フィルタ層で受光した波長の光が有意な光信号であれば、その有意な光信号を受光する受光層でもある。フィルタ層が受光層でもある構造を採用することによって、一つの光電変換装置で複数の波長の光の光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。フィルタ層が受光層でもある構造は、多層に積層することもできる。
【０００７】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に具現化できる。本発明の光電変換装置は、III−Ｖ族化合物半導体の受光層と、電位差を持つとともに受光層の表面に電気的に接している一対の電極と、受光層よりも入射面側に設けられているとともに受光層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有するIII−Ｖ族化合物半導体のフィルタ層を備えている。フィルタ層は、受光層が吸収する光よりも波長の短い光を吸収する。フィルタ層には、必要に応じて他の波長の光を吸収する第２のフィルタ層を備えていてもよい。
入射面に入射した複数の波長の光を含む入射光のうち、波長の短い光はフィルタ層に吸収される。入射面に入射した複数の波長の光を含む入射光のうち、波長の長い光はフィルタ層を透過して受光層に吸収される。波長の短い光がフィルタ層で除去されているので、受光層で吸収される光は、波長の長い光の割合が増大している。Ｓ／Ｎ比が向上した光電変換装置を得ることができる。さらに、受光層で生成した電子・正孔は、受光層の面内を横方向に移動して一対の電極から取出される。
本発明の光電変換装置は、光電変換装置の半導体積層にフィルタ層を設けることによって、必要な波長を選択的に受光層に入射させることができる。光電変換装置の外部に他の部品を設けることなく、上記の効果を得ることができる。光電変換装置が実質的に大型化することなく、上記の効果を得ることができる。さらに、受光層の表面に設けられた一対の電極を利用して電荷を取出すことができるので、ＰＩＮ型のように複数の半導体層を必要としない。光電変換装置の構造が簡単化されている。製造に要する工程も少なくて済むことから、製造コストの低減化にも効果がある。
【０００８】
受光層は、可視光の光エネルギーを吸収するようにバンドギャップの幅が調整されており、フィルタ層は、受光層が吸収する可視光よりも波長の短い可視光を吸収するようにバンドギャップの幅が調整されていることが好ましい。
波長の異なる可視光と可視光を分別する光電変換装置を得ることができる。
【０００９】
フィルタ層は、受光層の表面のうちの一対の電極の間に形成されていてもよい。この場合、入射光は一対の電極が露出する面の上方から入射する。
上記の構造を採用すると、受光層の表面に一対の電極を設けるとともに、フィルタ層を備えた光電変換装置を得ることができる。
【００１０】
受光層とフィルタ層の間に、受光層とフィルタ層よりもバンドギャップが広いバリア層が形成されていることが好ましい。
バリア層を設けることによって、受光層とフィルタ層の間にエネルギー障壁が形成される。このエネルギー障壁は、フィルタ層で生成された電子・正孔が受光層へ流入することを防止する。受光層で生成された電子・正孔に、フィルタ層で生成された電子・正孔が重畳してしまうことが防止される。Ｓ／Ｎ比が顕著に向上した光電変換装置を得ることができる。
【００１１】
III−Ｖ族化合物半導体が、AlXGaYIn1-X-YN（ただし、０≦X≦１、０≦Y≦１、０≦1−X−Y≦１）であることが好ましい。
上記の材料を利用して受光層及びフィルタ層を形成すると、紫外光域から可視光域を受光することが可能になる。本発明の光電変換装置は、ＰＯＦ等を利用する光通信システムに好適に用いることができる。
【００１２】
電位差を持つ一対の電極が、フィルタ層の表面に電気的に接していることが好ましい。
フィルタ層で生成された電子・正孔は、一対の電極間の電位差に基づいて一対の電極に流入し、電気エネルギーに変換される。フィルタ層が受光層としても作用する構造が得られる。したがって、受光層とフィルタ層のそれぞれにおいて、異なる波長の光に応じた電気エネルギーを得ることができる。複数の波長の光を一つの光電変換装置で受光することが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光電変換装置は、光電変換装置の半導体積層に、複数の波長の光に対して、適宜に調整されたバンドギャップを有する複数の半導体層が設けられている。これにより、複数の波長の光を含む入射光から、必要な光を選択的に受光することが可能になる。この光電変換装置は、実質的に他の部品を設けることなく、複数の波長の可視光の分別を可能にする。さらに、受光層で生成した電子・正孔は、受光層の表面に設けられている一対の電極から取出される。構造が簡単化されており、製造が容易な構造となっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態）  電位差を持つ一対の電極が、受光層の表面に電気的に接しているのが好ましい。これにより、入射光によって生成した電子・正孔が、一対の電極間を横方向に流れる横導通型の構造にすることができる。フィルタ層に干渉されることなく、生成した電子・正孔を一対の電極に流入させることができる。
（第２形態）  複数のフィルタ層が設けられた構造とするのが好ましい。過度な電子・正孔が局所的に生成するのを防止することができる。
（第３形態）  III−Ｖ族化合物半導体は、AlXGaYIn1-X-YN（ただし、０≦X≦１、０≦Y≦１、０≦1−X−Y≦１）で表される２元系、３元系又は４元系の半導体材料を用いて形成されるのが好ましい。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（B）、タリウム（Tl）で置き換えてもよい。また、窒素（N）の一部をリン（P）、砒素（As）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）で置き換えてもよい。さらに、これらの半導体材料に、ｎ型の不純物としてSi、Ge、Se、Te、C等を添加してもよく、ｐ型の不純物としてBe、Ca、Sr、Ba等を添加してもよい。
【実施例】
【００１５】
（第１実施例）
図１に、光電変換装置１０の要部断面図を示す。図２に、光電変換装置１０の平面図を示す。図２のI−I線に対応した縦断面が、図１の要部断面図に対応している。
図１の矢印に示すように、光電変換装置１０は下側から入射光を受け入れる。入射光は、紫外光域から緑色光域までを含む可視光域に及んでいる。
光電変換装置１０は、入射面側から順に、基板２２、バッファ層２４、第１フィルタ層３２、第２フィルタ層３４、バリア層４２、及び受光層５２の半導体積層を備えている。第１フィルタ層３２及び第２フィルタ層３４は、受光層５２よりも入射面側に設けられている。バリア層４２は、受光層５２と第２フィルタ層３４の間に設けられている。受光層５２の表面に、一対の櫛歯電極７２、７４が電気的に接して形成されている。
【００１６】
基板２２は、サファイアを用いて形成されている。基板２２の材質は、受光層５２で受光される可視光を透過するものであればよく、サファイアに代えて、スピネル、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、炭化シリコン、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、又は受光層５２及びフィルタ層３２、３４と同系のIII−V族化合物半導体等を用いることもできる。
【００１７】
バッファ層２４は、厚みが約０．０５μmの窒化アルミニウム（AlN）を用いて形成されている。バッファ層２４は、基板２２上に形成される半導体積層の結晶欠陥を低減するために形成される。バッファ層２４の材質は、バッファ層２４上に積層する結晶の格子定数に近い格子定数を持つ材質が採用される。
【００１８】
第１フィルタ層３２は、厚みが約４．０μmの窒化ガリウム（GaN）を用いて形成されている。第１フィルタ層３２の材質は、受光層５２及び第２フィルタ層３４のバンドギャップよりも広いバンドギャップの材質が採用される。さらに、第１フィルタ層３２のバンドギャップは、紫外光の光エネルギーを吸収することができる大きさに調整されている。
【００１９】
第２フィルタ層３４は、厚みが約０．２μmの窒化ガリウム・インジウム（In0.2Ga0.8N）を用いて形成されている。第２フィルタ層３４の材質は、受光層５２のバンドギャップよりも広く、第１フィルタ層３２のバンドギャップよりも狭いバンドギャップの材質が採用される。さらに、第２フィルタ層３４のバンドギャップは、受光層５２で受光する可視光よりも波長の短い可視光の光エネルギーを吸収することができる大きさに調整されている。
【００２０】
バリア層４２は、厚みが約０．０１５μmの窒化ガリウム（GaN）を用いて形成されている。バリア層４２の材質は、受光層５２及び第２フィルタ層３４のバンドギャップよりも広いバンドギャップの材質が採用される。
【００２１】
受光層５２は、厚みが約０．０２０μmの窒化ガリウム・インジウム（In0.4Ga0.6N）を用いて形成されている。受光層５２の材質は、第１フィルタ層３２及び第２フィルタ層３４のバンドギャップよりも狭いバンドギャップの材質が採用される。さらに、受光層５２のバンドギャップが、受光したい可視光の光信号（光エネルギーである）の波長を吸収することができる大きさに調整されている。
【００２２】
図２に示すように、受光層５２の表面に一対の櫛歯電極７２、７４が電気的に接して形成されている。櫛歯電極７２と櫛歯電極７４には定電位が印加されており、両者の間には電位差が形成されている。一対の櫛歯電極７２、７４は、白金（Pt）を用いて形成されており、その厚みは０．０５μmである。
入射光によって励起した電子・正孔が一対の櫛歯電極７２、７４間を流れるように、一対の櫛歯電極７２、７４間の距離は、約数μmの間隔を保って形成されている。なお、櫛歯電極７２と櫛歯電極７４の形状は対称であっても、また対称でなくてもよい。
【００２３】
図３に、光電変換装置１０の半導体積層のバンドダイアグラムを示す。図中の符号は、各層の符号と一致している。光電変換装置１０の受光層５２は、緑色光を感度波長域としており、光電変換装置１０は緑色光に応じた光信号を電気信号（この実施例では電流信号）に変換する。
図３に示すように、光電変換装置１０は、入射面側にエネルギーバンドが広い第１フィルタ層３２が設けられている。第１フィルタ層３２は、紫外光域から緑色光域までを含む入射光のうち波長の短い紫外光を吸収する。波長の長い青色光及び緑色光は第１フィルタ層３２を透過して第２フィルタ層３４に入射する。
第２フィルタ層３４は波長の短い青色光を吸収して波長の長い緑色光を透過する。したがって、入射光の波長成分のうち受光層５２に達するのは緑色光のみとなる。
受光層５２は、緑色光を吸収して電子・正孔を生成する。生成した電子・正孔は、受光層５２の面内を横方向に移動して一対の櫛歯電極７２、７４に流入する。したがって、光電変換装置１０を利用すると、複数の波長の可視光を含む入射光から緑色光のみを受光層５２に入射させることができる。光電変換装置１０は緑色光に応じた光信号を選択的に抽出し、それに応じた電気信号（この実施例では電流信号）を得ることができる。このため、光電変換装置１０は、他の波長の光信号及び外部光などによる外乱が顕著に抑制され、Ｓ／Ｎ比の高いものとなる。
【００２４】
光電変換装置１０は、他に次の特徴を有している。
（１）バリア層４２が、第２フィルタ層３４と受光層５２の間にエネルギー障壁を形成している。バリア層４２は、第１フィルタ層３２及び第２フィルタ層３４において、紫外光及び青色光を吸収して生成した電子・正孔が受光層５２に流入することを防止する。特に、高温で動作する場合には、第１フィルタ層３２及び第２フィルタ層３４と受光層５２の両者の間において、熱的な電荷の移動が生じ易いが、このような場合にバリア層４２は極めて有効である。このため、光電変換装置１０は、緑色光によって生成した電子・正孔のみを一対の櫛歯電極７２、７４に流入させることができる。一対の櫛歯電極７２、７４に流入する電子・正孔に、第１フィルタ層３２及び第２フィルタ層３４で生成した電子・正孔が重畳することが防止されている。Ｓ／Ｎ比が顕著に向上している。
なお、バリア層４２が形成されていなくても、第２フィルタ層３４の厚みを大きくすれば、第１フィルタ層３２及び第２フィルタ層３４で生成した電子・正孔が受光層５２に流入することを防止することができる。しかしながら、第２フィルタ層３４の厚みを大きくすると、結晶欠陥密度も増加するという問題がある。したがって、バリア層５２を設けることによって、第２フィルタ層３４の厚みを小さくすることができる、ともいえる。バリア層５２を設けることによって、結晶欠陥密度が低減された光電変換装置を得ることができる。
（２）光電変換装置１０は、複数のフィルタ層（第１フィルタ層３２及び第２フィルタ層３４）を設け、紫外光と青色光を分けて吸収している。このため、過度な電子・正孔が局所的に生成されることが防止されており、光電変換装置１０の耐久性等が向上している。なお、必要に応じて、第１フィルタ層３２のみの構造、又は第２フィルタ層３４のみの構造にしてもよい。
（３）光電変換装置１０は、入射光によって生成した電子・正孔が、一対の櫛歯電極７２、７４間を横方向に流れる構造（横導通型という）である。従来から知られている縦導通型のＰＩＮフォトダイオードでは、受光層の上下面に接してｎ型の半導体層とｐ型の半導体層を備える必要があり構造が複雑化する。さらに、ｎ型の半導体層とｐ型の半導体層に対して電極をそれぞれ形成する必要がある。ｎ型の半導体層に接する電極とｐ型の半導体層に接する電極は、同一面内に位置しておらず、厚み方向にオフセットされている。このため、ｎ型の半導体層に接する電極とｐ型の半導体層に接する電極は、それぞれ専用の製造工程を必要とする。このため、ＰＩＮ構造を利用する光電変換装置の構造は複雑であり、製造に要する工程数が増加し歩留まりも悪い。
一方、本実施例の光電変換装置１０は、受光層５２の表面に対して一対の櫛歯電極７２、７４が設けられた横導通型である。このため、受光層５２は一つの半導体層によって構成することができ、構造が簡単化される。さらに、一対の櫛歯電極７２、７４は同一面内に位置しているので、同一の製造工程で作成することもできる。
（４）光電変換装置１０は、基板２２の裏面側を入射面とすることができる。このため、櫛歯電極７２、７４が形成されている面を回路基板に接触させて実装することができる。電極をリードフレームやプリント基板の導体パターンに直接接合するフリップチップ実装が可能となる。したがって、ワイヤ接合部などで雑音を拾うことによって損失が生じることも防止でき、クロストークやノイズの低減が実現できる。また、入射面となる基板２２の裏面を表に向けた状態で光電変換装置１０を回路基板に実装することができるので、光電変換装置１０に光を導く光ファイバや光導波路を実装しやすい。さらに、基板２２の裏面に光ファイバや光導波路を直接接合させることができ、両者の間隙から光が漏れて損失することを大幅に低減することができる。
（５）受光層５２には、必要に応じてｎ型の不純物を添加してもよい。不純物を添加すると、電荷の寿命（ライフタイム）を制御することができる。例えば、入射光の強度の変化に対して寿命の長い電界による応答の遅れがある場合には、不純物を添加することによって電荷の寿命を短くすることができる。このため高速な応答特性を有する光電変換装置を得ることができる。
【００２５】
（光電変換装置１０の製造方法）
次に、図４を用いて、光電変換装置１０の製造方法を説明する。
図４（Ａ）に示すように、サファイアからなる基板２２を用意する。基板２２の表面にはａ面が選択されており、その表面は有機洗浄及び熱処理により洗浄が実施されている。
まず、基板２２の温度を１１００℃に保持して、水素ガスを流速２リットル／分で供給して基板２２の表面を気相エッチングする。
次に、図４（Ｂ）に示すように、基板２２の温度を４００℃まで低下させて、ＭＯＣＶＤ法を利用して、基板２２上にバッファ層２４を形成する。このとき、水素ガスを２０リットル／分で供給し、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム（TMAl）を１．８×１０−５モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給するのが好ましい。
【００２６】
次に、基板２２の温度を１１５０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、バッファ層２２上に第１フィルタ層３２を形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を好適に利用することができる。
次に、基板２２の温度を８５０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、第１フィルタ層３２上に第２フィルタ層３４を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを１０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．０×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給し、インジウム原料としてトリメチルインジウム（TMI）を０．２×１０−４モル／分で供給するのが好ましい。
次に、基板２２の温度を８５０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、第２フィルタ層３４上にバリア層４２を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを２０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．５×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給するのが好ましい。
次に、基板２２の温度を７３０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、バリア層４２上に受光層５２を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを２０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．０×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給し、インジウム原料としてトリメチルインジウム（TMI）を０．５×１０−４モル／分で供給するのが好ましい。
最後に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を利用して、受光層５２上に一対の櫛歯電極７２、７４を形成する。一対の櫛歯電極７２、７４は、同一の製造工程を利用して同時に作成される。
これらの工程を経て、光電変換装置１０を得ることができる。
【００２７】
（第２実施例）
次に、第２実施例の光電変換装置１００を説明する。ただし、第１実施例と略同一構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略することがある。
図５に、光電変換装置１００の要部断面図を示す。図６に、光電変換装置１００の平面図を示す。図６のV−V線に対応した縦断面が、図５の要部断面図に対応している。
図５の矢印に示すように、光電変換装置１００は上側から入射光を受け入れる。入射光は、青色光域から緑色光域までを含む可視光域に及んでいる。
光電変換装置１００は、入射面に対して反対側から順に、基板２２、バッファ層２４、下地層６２、受光層５２、及び第３フィルタ層３６の半導体積層を備えている。第３フィルタ層３６は、受光層５２よりも入射面側に設けられている。第３フィルタ層３６には、櫛歯状の開口が形成されている。３６ａは開口の境界を示している。受光層５２の表面に、一対の櫛歯電極７２、７４が電気的に接して形成されている。櫛歯電極７２、７４は、第３フィルタ層３６の櫛歯状の開口に形成されている。第３フィルタ層３６は、受光層５２の表面のうち、一対の櫛歯電極７２、７４の間に形成されている。第３フィルタ層３６は、受光層５２の表面のうち、一対の櫛歯電極７２、７４が形成されている以外の部分を覆って形成されている、ともいえる。
【００２８】
基板２２は、サファイアを用いて形成されている。
バッファ層２４は、厚みが約０．０５μmの窒化アルミニウム（AlN）を用いて形成されている。
下地層６２は、厚みが約４．０μmの窒化ガリウム（GaN）を用いて形成されている。下地層６２は、バッファ層２４と受光層５２の間の格子不整合を緩和するために設けられている。
【００２９】
受光層５２は、厚みが約０．０２０μmの窒化ガリウム・インジウム（In0.4Ga0.6N）を用いて形成されている。受光層５２の材質は、第３フィルタ層３６のバンドギャップよりも狭いバンドギャップの材質が採用される。さらに、受光層５２のバンドギャップが、受光したい可視光の光信号（光エネルギーである）の波長を吸収することができる大きさに調整されている。
【００３０】
第３フィルタ層３６は、厚みが約０．２μmの窒化ガリウム・インジウム（In0.2Ga0.8N）を用いて形成されている。第３フィルタ層３６の材質は、受光層５２のバンドギャップよりも広い材質が採用される。さらに、第３フィルタ層３６のバンドギャップは、受光層５２で受光される可視光よりも波長の短い可視光の光エネルギーを吸収することができる大きさに調整されている。
【００３１】
図６に示すように、受光層５２の表面に一対の櫛歯電極７２、７４が形成されている。櫛歯電極７２と櫛歯電極７４には定電位が印加されており、両者の間には電位差が形成されている。一対の櫛歯電極７２、７４は、ニッケル（Ni）を用いて形成されており、その厚みは０．０５μmである。
なお、一対の櫛歯電極７２、７４は、可視光に対して透明な導電性材料又は不透明な導電性材料のいずれを採用してもよい。透明な材料の場合は、受光層５２により多くの可視光を入射させることができる。不透明な材料の場合は、第３フィルタ層３６を通過しないと可視光が受光層５２に到達できない構造となるので、Ｓ／Ｎ比の高い光電変換が可能となる。
【００３２】
光電変換装置１００に入射してくる入射光は、青色光域から緑色光域までを含む可視光である。第３フィルタ層３６は波長の短い青色光を吸収して波長の長い緑色光を透過させる。したがって、入射光の波長成分のうち受光層５２に達するのは緑色光のみとなる。
受光層５２は、緑色光を吸収して電子・正孔を生成する。生成した電子・正孔は一対の櫛歯電極７２、７４に流入する。したがって、光電変換装置１００を利用すると、青色光域から緑色光域までを含む可視光を含む入射光から緑色光のみを受光層５２に入射させることができる。光電変換装置１０は緑色光に応じた光信号を選択的に抽出し、それに応じた電気信号（この実施例では電流信号）を得ることができる。このため、光電変換装置１００は、他の波長の光信号及び外部光などによる外乱が顕著に抑制され、Ｓ／Ｎ比の高いものとなる。
なお、受光層５２と第３フィルタ層３６の間にバリア層を設けて、第３フィルタ層３６で生成した電子・正孔が受光層５２に流入するのを防止する構造としてもよい。
また、第３フィルタ層３６の表面に他の半導体層を設けて、他の波長の可視光を遮断する構造としてもよい。
【００３３】
（光電変換装置１００の製造方法）
次に、図７を用いて、光電変換装置１００の製造方法を説明する。
図７（Ａ）に示すように、サファイアからなる基板２２を用意する。基板２２の表面にはａ面が選択されており、その表面は有機洗浄及び熱処理により洗浄が実施されている。
まず、基板２２の温度を１１００℃に保持して、水素ガスを流速２リットル／分で供給して基板２２の表面を気相エッチングする。
次に、図７（Ｂ）に示すように、基板２２の温度を４００℃まで低下させて、ＭＯＣＶＤ法を利用して、基板２２上にバッファ層２４を形成する。このとき、水素ガスを２０リットル／分で供給し、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム（TMAl）を１．８×１０−５モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給するのが好ましい。
【００３４】
次に、基板２２の温度を１１５０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、バッファ層２２上に下地層６２を形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を好適に利用することができる。
次に、基板２２の温度を７３０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、下地層６２上に受光層５２を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを２０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．０×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給し、インジウム原料としてトリメチルインジウム（TMI）を０．５×１０−４モル／分で供給するのが好ましい。
次に、基板２２の温度を８５０℃に保持して、受光層５２上に第３フィルタ層３６を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを１０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．０×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給し、インジウム原料としてトリメチルインジウム（TMI）を０．２×１０−４モル／分で供給するのが好ましい。
【００３５】
最後に、図７（Ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を利用して、第３フィルタ層３６を一対の櫛歯電極７２、７４形成部位に沿って除去する。除去され露出された受光層５２の表面にNiを蒸着して一対の櫛歯電極７２、７４を形成する。一対の櫛歯電極７２、７４は、同一の製造工程を利用して同時に作成される。
これらの工程を経て、光電変換装置１００を得ることができる。
【００３６】
（第３実施例）
次に、第３実施例の光電変換装置２００を説明する。ただし、第１実施例又は第２実施例と略同一構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略することがある。
図８に、光電変換装置２００の要部断面図を示す。
図８の矢印に示すように、光電変換装置２００は上側から入射光を受け入れる。入射光は、紫外光域から緑色光域までを含む可視光域にまで及んでいる。
光電変換装置２００は、入射面に対して反対側から順に、基板２２、バッファ層２４、下地層６２、受光層５２、バリア層４４、第４フィルタ層３７、及び第５フィルタ層３８の半導体積層を備えている。第４フィルタ層３７及び第５フィルタ層３８は、受光層５２よりも入射面側に設けられている。バリア層４４は、受光層５２と第４フィルタ層３７の間に設けられている。受光層５２の表面に、一対の第１櫛歯電極７２、７４が電気的に接して形成されている。バリア層４４、第４フィルタ層３７、及び第５フィルタ層３８は、受光層５２の表面のうち、一対の第１櫛歯電極７２、７４の間に形成されている。バリア層４４、第４フィルタ層３７、及び第５フィルタ層３８は、受光層５２の表面のうち、一対の第１櫛歯電極７２、７４が形成されている以外の部分を覆って形成されている、ともいえる。
さらに、第４フィルタ層３７の表面に、一対の第２櫛歯電極７６、７８が電気的に接して形成されている。第５フィルタ層３８は、第４フィルタ層３７の表面のうち、一対の第２櫛歯電極７６、７８の間に形成されている。第５フィルタ層３８は、第４フィルタ層３７の表面のうち、一対の第２櫛歯電極７６、７８が形成されている以外の部分を覆って形成されている、ともいえる。
【００３７】
基板２２は、サファイアを用いて形成されている。
バッファ層２４は、厚みが約０．０５μmの窒化アルミニウム（AlN）を用いて形成されている。
下地層６２は、厚みが約４．０μmの窒化ガリウム（GaN）を用いて形成されている。
【００３８】
受光層５２は、厚みが約０．０２０μmの窒化ガリウム・インジウム（In0.4Ga0.6N）を用いて形成されている。受光層５２の材質は、第４フィルタ層３７及び第５フィルタ層３８のバンドギャップよりも狭いバンドギャップの材質が採用される。さらに、受光層５２のバンドギャップが、受光したい可視光の光信号（光エネルギーである）の波長を吸収することができる大きさに調整されている。
【００３９】
バリア層４４は、厚みが約０．０１５μmの窒化ガリウム（GaN）を用いて形成されている。バリア層４２の材質は、受光層５２及び第４フィルタ層３７のバンドギャップよりも広いバンドギャップの材質が採用される。
【００４０】
第４フィルタ層３７は、厚みが約０．２μmの窒化ガリウム・インジウム（In0.2Ga0.8N）を用いて形成されている。第４フィルタ層３７の材質は、受光層５２のバンドギャップよりも広い材質が採用される。第４フィルタ層３７のバンドギャップは、受光層５２で受光する可視光よりも波長の短い可視光の光エネルギーを吸収する大きさに調整されている。
【００４１】
第５フィルタ層３８は、厚みが約０．２μmの窒化ガリウム（GaN）を用いて形成されている。第５フィルタ層３８の材質は、受光層５２及び第４フィルタ層３７のバンドギャップよりも広いバンドギャップの材質が採用される。第５フィルタ層３８のバンドギャップは、紫外光の光エネルギーを吸収する大きさに調整されている。
また、後述するように、第４フィルタ層３７は、その機能面から第２の受光層ともいえる。
【００４２】
受光層５２の表面に一対の第１櫛歯電極７２、７４が形成されている。第１櫛歯電極７２と第１櫛歯電極７４には定電位が印加されており、両者の間には電位差が形成されている。一対の櫛歯電極７２、７４は、ニッケル（Ni）を用いて形成されており、その厚みは０．０５μmである。
第４フィルタ層３７の表面に一対の第２櫛歯電極７６、７８が形成されている。第２櫛歯電極７６と第２櫛歯電極７８には定電位が印加されており、両者の間には電位差が形成されている。一対の櫛歯電極７６、７８は、ニッケル（Ni）を用いて形成されており、その厚みは０．０５μmである。
一対の櫛歯電極７２、７４は、可視光に対して透明な導電性材料又は不透明な導電性材料のいずれを採用してもよい。また、一対の櫛歯電極７６、７８は、可視光に対して透明な導電性材料又は不透明な導電性材料のいずれも採用してもよい。一方の組の櫛歯電極が透明で、他方の組の櫛歯電極が不透明とすることもできる。光電変換効率とＳ／Ｎ比の両者の特性を考慮して、適宜採用することができる。
【００４３】
光電変換装置２００に入射してくる入射光は、紫外光域から緑色光域までを含む可視光である。第５フィルタ層３８は、紫外光域から緑色光域までを含む入射光のうち波長の短い紫外光を吸収する。波長の長い青色光及び緑色光は第５フィルタ層３８を透過して第４フィルタ層３７に入射する。
第４フィルタ層３７は波長の短い青色光を吸収して波長の長い緑色光を透過させる。したがって、入射光の波長成分のうち受光層５２に達するのは緑色光のみとなる。このとき、第４フィルタ層３７は、青色光を吸収して電子・正孔を生成する。生成した電子・正孔は一対の第２櫛歯電極７６、７８に流入する。これにより、第２櫛歯電極７６、７８において、青色光に応じた光信号を抽出し、それに応じた電気信号（この例では電流信号）を得ることができる。
さらに、受光層５２は、緑色光を吸収して電子・正孔を生成する。生成した電子・正孔は一対の第１櫛歯電極７２、７４に流入する。これにより、第１櫛歯電極７６、７８において、緑色光に応じた光信号を抽出し、それに応じた電気信号（この例では電流信号）を得ることができる。
光電変換装置２００を利用すると、複数の波長の可視光を含む入射光から青色光及び緑色光を分光し、それぞれの光信号に応じた電気信号を得ることができる。複数の波長の光信号を一つの光電変換装置２００で電気信号に変換することができる。
なお、第４フィルタ層３７と第５フィルタ層３８の間にバリア層が設けて、第５フィルタ層３８で生成した電子・正孔が第４フィルタ層３７に流入するのを防止する構造としてもよい。
【００４４】
（光電変換装置２００の製造方法）
次に、図９を用いて、光電変換装置２００の製造方法を説明する。
図９（Ａ）に示すように、サファイアからなる基板２２を用意する。基板２２の表面にはａ面が選択されており、その表面は有機洗浄及び熱処理により洗浄が実施されている。
まず、基板２２の温度を１１００℃に保持して、水素ガスを流速２リットル／分で供給して基板２２の表面を気相エッチングする。
次に、図９（Ｂ）に示すように、基板２２の温度を４００℃まで低下させて、ＭＯＣＶＤ法を利用して、基板２２上にバッファ層２４を形成する。このとき、水素ガスを２０リットル／分で供給し、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム（TMAl）を１．８×１０−５モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給するのが好ましい。
【００４５】
次に、基板２２の温度を１１５０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、バッファ層２２上に下地層６２を形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を好適に利用することができる。
次に、基板２２の温度を７３０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、下地層６２上に受光層５２を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを２０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．０×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給し、インジウム原料としてトリメチルインジウム（TMI）を０．５×１０−４モル／分で供給するのが好ましい。
次に、基板２２の温度を８５０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、受光層５２上にバリア層４４を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを２０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．５×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給するのが好ましい。
次に、基板２２の温度を８５０℃に保持して、バリア層４４上に第４フィルタ層３７を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを１０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．０×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給し、インジウム原料としてトリメチルインジウム（TMI）を０．２×１０−４モル／分で供給するのが好ましい。
次に、基板２２の温度を８５０℃に保持して、ＭＯＣＶＤ法を利用して、第４フィルタ層３７上に第５フィルタ層３８を形成する。このとき、水素ガス又は窒素ガスを２０リットル／分で供給し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（TMG）を１．５×１０−４モル／分で供給し、窒素原料としてアンモニアガス（NH3）を１０リットル／分で供給するのが好ましい。
【００４６】
次に、図９（Ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を利用して、第５フィルタ層３８を一対の第２櫛歯電極７６、７８形成部位に沿って除去する。第５フィルタ層３８が除去され露出された第４フィルタ層３７の表面にNiを蒸着して一対の第２櫛歯電極７６、７８を形成する。一対の第２櫛歯電極７６、７８は、同一の製造工程を利用して同時に作成される。
次に、図９（Ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を利用して、第５フィルタ層３８と第４フィルタ層３７とバリア層４４を一対の第１櫛歯電極７２、７４形成部位に沿って除去する。除去され露出された受光層５２の表面にNiを蒸着して一対の第１櫛歯電極７２、７４を形成する。一対の第２櫛歯電極７２、７４は、同一の製造工程を利用して同時に作成される。
これらの工程を経て、光電変換装置１００を得ることができる。
【００４７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施例の光電変換装置の要部断面図を示す。
【図２】第１実施例の光電変換装置の平面図を示す。
【図３】第１実施例の光電変換装置の半導体積層のバンドダイアグラムを示す。
【図４】（Ａ）第１実施例の光電変換装置の製造工程を示す。（Ｂ）第１実施例の光電変換装置の製造工程を示す。
【図５】第２実施例の光電変換装置の要部断面図を示す。
【図６】第２実施例の光電変換装置の平面図を示す。
【図７】（Ａ）第２実施例の光電変換装置の製造工程を示す。（Ｂ）第２実施例の光電変換装置の製造工程を示す。（Ｃ）第２実施例の光電変換装置の製造工程を示す。
【図８】第３実施例の光電変換装置の要部断面図を示す。
【図９】（Ａ）第３実施例の光電変換装置の製造工程を示す。（Ｂ）第３実施例の光電変換装置の製造工程を示す。（Ｃ）第３実施例の光電変換装置の製造工程を示す。（Ｄ）第３実施例の光電変換装置の製造工程を示す。
【符号の説明】
【００４９】
２２：基板
２４：バッファ層
３２：第１フィルタ層
３４：第２フィルタ層
３６：第３フィルタ層
３７：第４フィルタ層
３８：第５フィルタ層
４２、４４：バリア層
５２：受光層
６２：下地層
７２、７４：第１櫛歯電極
７６、７８：第２櫛歯電極
【図１】
2006286825.tif 000003
【図２】
2006286825.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006286825.tif 000006
【図５】
2006286825.tif 000007
【図６】
2006286825.tif 000008
【図７】
2006286825.tif 000009
【図８】
2006286825.tif 000010
【図９】
2006286825.tif 000011